Diseño de recorrido de automóvil inteligente basado en microcontrolador

Resumen: Nuestro equipo de investigación ha diseñado y producido un automóvil con función de juicio inteligente, que es potente. El automóvil tiene las siguientes funciones: función de evitación automática de obstáculos; función de seguimiento (conducción según la pista negra de la carretera); función de fototaxis (búsqueda de la fuente de luz puntual en el frente y función de conducción para detectar la cantidad de piezas de hierro); colocado en la carretera; calcula y muestra la distancia y el tiempo recorrido y emite sonido y luz. Este trabajo se puede utilizar como un juguete inteligente avanzado y un poderoso ejemplo de aplicación para que los estudiantes universitarios aprendan el control integrado.

El trabajo es impulsado principalmente por dos motores. Se recopila diversa información a través de varios dispositivos de detección y se envía al microcontrolador de la unidad de control principal AT89S52. Los datos se procesan y se completan las acciones correspondientes para lograr el control automático. El circuito de accionamiento del motor utiliza el chip integrado L293D de cuatro canales, alto voltaje y alta corriente. Entre ellos, el transceptor de infrarrojos se utiliza para evitar obstáculos; la parte de detección de láminas de hierro utiliza un interruptor de proximidad inductivo LJ18A3-8-Z/BX para la detección; la detección del cinturón negro se completa con un diodo receptor de infrarrojos en la parte de fototaxis; La señal de la fuente de luz es recopilada por tres fotodiodos y luego convertida en señales digitales por ADC0809 y enviada al microcontrolador para su procesamiento y determinación de dirección. Una vez que la unidad de control procesa los datos, se completan las acciones correspondientes y se pueden completar una serie de acciones sin control, lo que equivale a un simple robot.

Palabras clave: control inteligente del transceptor de infrarrojos de obstáculos, accionamiento de seguimiento, accionamiento de búsqueda de luz

1 Demostración y comparación del plan general

Plan 1: Coche El El sistema de control se compone de varios circuitos digitales y procesa señales periféricas para evitar obstáculos, señales de detección de cinturón negro, señales de detección de láminas de hierro y varias señales de fototaxis. Esta solución tiene circuitos complejos, baja flexibilidad y baja eficiencia, lo que no favorece la expansión inteligente de los automóviles y dificulta el procesamiento de diversas señales.

Opción 2: Utilizar el microcontrolador ATM89S52 como unidad de control de toda la máquina. La sonda infrarroja adopta tubos transmisores y cabezales receptores comunes en el mercado y es modulada por un microcontrolador antes de transmitir. La pieza de hierro es detectada por el interruptor de proximidad inductivo LJ18A3-8-Z/BX, y la señal de la fuente de luz de banda negra es recogida por el fotodiodo y luego convertida en una señal digital por ADC0809 y enviada al sistema de microcontrolador para su procesamiento. El sistema es flexible y modificable. Utiliza software para resolver circuitos de hardware complejos, lo que hace que el hardware del sistema sea simple y fácil de implementar para cumplir con los requisitos del proyecto.

Al comparar las ventajas y desventajas de las dos soluciones anteriores, la segunda solución es simple, flexible, escalable y puede cumplir con los requisitos de diseño del problema, por lo que se adopta la segunda solución. El principio básico del Esquema 2 se muestra en la Figura 1.

Figura 1 Diagrama esquemático básico del funcionamiento del coche inteligente

La parte para evitar obstáculos adopta el principio de emisión y recepción de infrarrojos. La pieza de hierro se detecta a través del interruptor de proximidad inductivo LJ18A3-8-Z/BX, y las señales de nivel alto y bajo generadas se procesan para completar los números de grabación correspondientes y hacer sonar el zumbador. El seguimiento del cinturón negro se basa en dos pares de fotodiodos montados en la parte inferior del automóvil para detectar la luz reflejada desde el suelo. En el diseño de búsqueda de luz, se instalan tres fotorresistores (izquierdo, central y derecho) en la parte delantera del automóvil para recolectar las señales de la fuente de luz. Las señales analógicas se convierten en señales digitales mediante ADC0809 y se envían a la MCU para su procesamiento. El registro se realiza instalando un pequeño imán en la rueda y luego generando pulsos de conteo a través de la inducción del tubo Hall. El registro del tiempo se implementa mediante software y la pantalla utiliza LED normales de siete segmentos. Este sistema es flexible y modificable, y los circuitos de hardware complejos se resuelven con métodos de software, lo que hace que el hardware del sistema sea simple y varias funciones fáciles de implementar.

2. Diseño y comparación de circuitos de módulos

1) Selección de soluciones para evitar obstáculos

Opción 1: Utilizar ondas ultrasónicas para evitar obstáculos. afectado por el medio ambiente. Además, el circuito es complejo y el reflejo de las ondas ultrasónicas en el suelo afectará la evaluación del sistema de los obstáculos.

Opción 2: Utilizando la evitación de obstáculos por infrarrojos, el microcontrolador genera una señal de 38 KHz para modular y transmitir el tubo de emisión de infrarrojos. Cuando el rayo infrarrojo emitido encuentra un objeto que evita obstáculos, se refleja hacia atrás. El tubo receptor de infrarrojos demodula la señal reflejada y genera el nivel TTL. La interferencia externa a la señal infrarroja es relativamente pequeña, fácil de implementar y relativamente barata, por lo que se adopta la segunda solución.

El diagrama esquemático del circuito transmisor y receptor de infrarrojos se muestra en la Figura 2.

Adopte el método de evitación de obstáculos por infrarrojos. Un tubo emite y el otro recibe. La intensidad de la recepción de rayos infrarrojos externos por parte del tubo receptor determina la distancia al obstáculo. Debido a que los rayos infrarrojos se ven muy afectados por la luz visible externa, la onda portadora de 38 KHz es modulada por la señal de 250 Hz, reduciendo así algunas interferencias externas. El nivel TTL emitido por el tubo receptor favorece el procesamiento de la señal por parte del microcontrolador. Adopta el principio de transmisión y recepción de infrarrojos. La señal de 38 KHz generada por el microcontrolador se utiliza para modular y transmitir el tubo de emisión de infrarrojos. La distancia de lanzamiento la ajusta RW y el ajuste del diseño es de aproximadamente 10 cm. El rayo infrarrojo emitido se refleja cuando encuentra un objeto que evita obstáculos. El tubo receptor de infrarrojos demodula la señal reflejada y genera el nivel TTL. Utilice el sistema de interrupción del microcontrolador para controlar el motor y girar el coche cuando encuentre un obstáculo. Dado que solo se utiliza un conjunto de tubos transceptores de infrarrojos, en la dirección para evitar obstáculos y girar, el programa adopta el método de girar a la izquierda cuando se encuentra con obstáculos. Si se requiere que el automóvil determine correctamente si girar a la izquierda o a la derecha, es necesario agregar un juego de tubos contadores en el costado del automóvil. La interferencia a las señales infrarrojas del mundo exterior es relativamente pequeña y rentable. . Durante la depuración, la tarea principal es modular la frecuencia de transmisión a una frecuencia que el receptor pueda recibir y utilizar el programa del microcontrolador para resolver el problema. La intensidad de la señal transmitida se ajusta mediante una resistencia de precisión ajustable.

Figura 2 Diagrama esquemático de los circuitos transmisores y receptores de infrarrojos

2) Selección de opciones para detectar láminas de hierro

Opción 1: Sensor casero basado en el principio de corrientes parásitas Es fácil de obtener, pero la depuración es difícil, la señal de salida no es confiable, la tasa de éxito es baja y es difícil generar información de detección con precisión.

Opción 2: utilizando interruptores de proximidad inductivos disponibles comercialmente, este sistema utiliza LJ18A3-8-Z/BX ordinario para completar la tarea de detección de láminas de hierro. Aunque el interruptor de proximidad inductivo es de mayor tamaño, su costo es aceptable, su señal de salida es confiable y estable y se ve menos afectado por interferencias externas, por lo que se adopta la segunda solución.

El diagrama esquemático del circuito de detección de láminas de hierro se muestra en la Figura 3.

Figura 3 Diagrama esquemático del circuito de detección de láminas de hierro

3) Indicaciones de voz

Opción 1: Usar el microcontrolador para generar señales de diferentes frecuencias para completar las indicaciones sonoras. Esta solución puede completar la función de aviso sonoro y la inteligibilidad de los avisos es pobre, pero puede cumplir con los requisitos hasta cierto punto, es simple de implementar y de bajo costo. Por razones económicas, adoptamos la opción 1.

Opción 2: el uso del módulo de grabación y reproducción segmentada DS1420 puede brindar a las personas indicaciones intuitivas. El módulo de grabación y reproducción DS1420 es relativamente caro, por lo que también puede utilizar esta solución, pero la relación precio/rendimiento de la opción dos no es tan buena como la de la opción uno.

4) Selección del esquema de detección del cinturón negro

Opción 1: los LED se utilizan para emitir luz y los diodos fotosensibles para recibir. Dado que los fotodiodos se ven muy afectados por la luz visible, su estabilidad es pobre.

Opción 2: Utilizar un tubo transmisor de infrarrojos para emitir rayos infrarrojos y utilizar un diodo infrarrojo para recibirlos. Al utilizar la emisión infrarroja, la luz visible externa tiene poco impacto en la señal recibida y luego el dispositivo de salida del transmisor aísla la señal. Esta solución también es fácil de implementar y confiable, por lo que se adopta la segunda solución. El diagrama del circuito de detección del cinturón negro se muestra en la Figura 4.

La señal de salida entra al 74LS02. Se mejora el rendimiento de estabilidad. Cuando el tubo transceptor de infrarrojos en la parte inferior del automóvil encuentra la banda negra, el nivel de entrada es alto; de lo contrario, es bajo. Combinado con el método de consulta de interrupción, el programa controla la dirección del automóvil. Las resistencias ajustables en el circuito ajustan la sensibilidad, lo que permite que el automóvil realice un seguimiento en diferentes niveles de luz ambiental. Dado que el tubo receptor está instalado debajo del automóvil, la distancia de transmisión es difícil de controlar. Ajustar una resistencia ajustable siempre dará como resultado una sensibilidad insatisfactoria. Finalmente, se coloca un tubo de plástico sobre el tubo receptor para proteger la influencia de la luz externa y mejorar en gran medida la sensibilidad. Luego está el retraso y el control a corto plazo de los giros.

Figura 4 Diagrama del circuito de detección del cinturón negro

3) Plan de medición de distancia

Plan 1: Abriendo unos agujeros de luz en las ruedas del coche y disparando con una cruz infrarroja Este método mide el número de revoluciones de la rueda, midiendo así indirectamente la distancia.

Opción 2: utilice el elemento Hall para contar el número de revoluciones de la rueda, instale una pequeña pieza magnética en la rueda y el elemento Hall se acerque a la pieza magnética una vez para contar la circunferencia de la rueda. Esta solución tiene una señal de detección fuerte y un circuito simple, pero su precisión no es alta.

Si desea lograr una cierta precisión de medición, es difícil lograrlo con sensores Hall, porque la instalación de una cierta cantidad de pequeños imanes en la rueda se afectarán entre sí, mientras que el uso de la reflexión infrarroja no afectará sus respectivos pulsos para lograr una precisión a nivel de centímetros, se utiliza esta solución para lograrlo. El diagrama esquemático de medición de distancia se muestra en la Figura 5.

La distancia se mide indirectamente contando el número de revoluciones de la rueda, utilizando el principio del elemento Hall para inducir al bloque magnético a generar pulsos y luego contando los pulsos. Además, se pueden utilizar principios de infrarrojos para aumentar la precisión de los registros a distancia. El método consiste en perforar agujeros ligeros de manera uniforme en la rueda. Cuando la rueda gira, emite luz infrarroja y emite pulsos continuamente. El microcontrolador cuenta los pulsos y luego calcula la distancia recorrida por el automóvil mediante el proceso de procesamiento de datos. Cuantos más agujeros haya, más preciso será el recuento.

Figura 5 Diagrama esquemático de la distancia de medición

3) Circuito de conducción inteligente del vehículo

Opción 1: un circuito de conducción equilibrado compuesto por componentes discretos, que se pueden conectar directamente operado por un microcontrolador. Sin embargo, dado que los componentes discretos y dos relés ocupan un gran espacio, esta solución no es ideal considerando el problema de espacio del automóvil.

Opción 2: Dado que el motor del automóvil está equipado con un conjunto de engranajes reductores y considerando que no se requiere la función de ajuste de velocidad, se utiliza un chip de accionamiento del motor L293D disponible comercialmente. Este chip utiliza nivel TTL para controlar el motor, que es fácil de operar. Al cambiar el nivel de entrada del terminal de control del chip, el motor puede operarse hacia adelante y hacia atrás, lo que facilita el funcionamiento del microcontrolador y también puede cumplir con los requisitos de los motores reductores de CC. La implementación del circuito de conducción de automóviles inteligentes se muestra en la Figura 6.

Figura 6 Circuito de accionamiento del automóvil inteligente

El motor del carro es un motor reductor de CC con un juego de engranajes. Teniendo en cuenta que no se requiere la función de control de velocidad, se utiliza el chip controlador del motor L293D. L293D es un producto de la famosa empresa SGS. Es un circuito integrado monolítico de controlador de cuatro canales, alta tensión y alta corriente. Está diseñado para recibir niveles lógicos DTL o TTL, controlar cargas inductivas (como relés, motores CC y paso a paso) y conmutar transistores de potencia. Contiene un circuito controlador lógico de 4 canales. Su corriente nominal de funcionamiento es 1A, el máximo puede alcanzar 1,5A, el voltaje Vss mínimo es 4,5V, el máximo puede alcanzar 36V. El valor máximo del voltaje Vs también es 36V. A través de experimentos, el voltaje Vs debe ser mayor que el voltaje Vss; de lo contrario, a veces se saldrá de control. La Tabla 1 muestra la relación lógica entre sus pines de habilitación, entrada y salida.

Tabla 1 Relación lógica entre pines y pines de salida

EN A(B) IN1(IN3) IN2(IN4) funcionamiento del motor.

Rotación hacia delante H H L

Inversión alta-baja-alta

h Parada rápida con IN2 (IN4) e IN1 (IN3).

L X X Stop

L293D puede controlar directamente el motor sin circuito de aislamiento. Cambiar el nivel del terminal de control del chip a través de la entrada de E/S del microcontrolador puede hacer que el motor avance, retroceda y se detenga, lo cual es muy conveniente y también puede cumplir con los requisitos de alta corriente de los motores de reducción de CC. Al depurar, de acuerdo con la tabla anterior, use el programa para ingresar el valor del código correspondiente, se puede realizar la acción correspondiente y se pasa la depuración.

3) Encuentra la función de la fuente de luz

Opción 1: Instalar varios interruptores fotoeléctricos delante del coche. Los interruptores fotoeléctricos funcionan utilizando luz desde diferentes direcciones para controlar la conducción. dirección del coche. Según las características del interruptor fotoeléctrico, sólo se puede encender cuando la luz alcanza una determinada intensidad, por lo que tiene ciertas limitaciones.

Opción 2: Instalar un fotodiodo o fotorresistor con los mismos parámetros delante del coche, y luego convertirlo en un valor digital a través del circuito de conversión A/D y enviarlo al microcontrolador. El microcontrolador almacena y compara los datos leídos y luego emite comandos para operar dispositivos periféricos. Al comparar la primera y la segunda solución, el hardware de la segunda solución es un poco más complejo, pero puede recopilar y comparar luz de diferentes intensidades y su funcionamiento es flexible, por lo que se adopta la segunda solución.

El diagrama del circuito para encontrar la fuente de luz se muestra en la Figura 7.

Figura 7 Diagrama de circuito para encontrar la fuente de luz

3) Parte de la pantalla

Opción 1: la pantalla LCD y el microcontrolador pueden mostrar datos, pero el brillo y la fuente de la pantalla El tamaño no es el mismo. Como era de esperar, el precio también es relativamente caro.

Opción 2: Utilice un tubo digital LED de siete segmentos y un controlador decodificador de circuito clásico. La estructura del circuito es simple y se puede utilizar con el puerto de E/S del microcontrolador. El efecto de visualización es intuitivo, brillante y fácil de depurar. Por lo tanto, se utilizan tubos digitales LED para la visualización.

4) El circuito de visualización se muestra en la Figura 8.

La Figura 8 muestra el circuito

3. Principio del sistema y análisis teórico

1) La composición mínima del sistema del microcontrolador

El El sistema de microcontrolador es la parte central de todo el sistema inteligente que recopila, procesa, analiza y ajusta todas las señales de detección. Los componentes principales son: microcontrolador AT89S52, ADC0809, chip del sistema de propulsión del automóvil L293D, chips de decodificación de pantalla de tubo digital 74LS47 y 74LS138 y varios dispositivos sensores.

2) Principio de evitación de obstáculos

Adopte el método de evitación de obstáculos por infrarrojos. Un tubo emite y el otro recibe. La intensidad de la recepción de rayos infrarrojos externos por parte del tubo receptor determina la distancia al obstáculo. Debido a que los rayos infrarrojos se ven muy afectados por la luz visible externa, la onda portadora de 38 KHz es modulada por la señal de 250 Hz, reduciendo así algunas interferencias externas. El nivel TTL emitido por el tubo receptor favorece el procesamiento de la señal por parte del microcontrolador.

3) Principio logarítmico

Mida la distancia indirectamente calculando el número de revoluciones de la rueda y perfore agujeros transmisores de luz uniformemente en la rueda. Cuando la rueda gira, emite luz infrarroja y emite pulsos continuamente. El microcontrolador cuenta los pulsos y luego calcula la distancia recorrida por el automóvil mediante el proceso de procesamiento de datos.

4) Principio de detección del cinturón negro

Basado en el principio de reflexión de la luz, cuando la luz incide sobre un papel blanco, la cantidad de reflexión es relativamente grande. Por el contrario, cuando brilla sobre un objeto negro, debido a la absorción de luz por el negro, la cantidad de reflexión es menor, por lo que se puede juzgar la dirección de la trayectoria del cinturón negro. Debido a que cada sensor interfiere con el microcontrolador, la señal será errónea. Por lo tanto, se utiliza el método de salida del emisor de primer orden para aislar la señal, de modo que el sistema pueda juzgar la señal con mayor precisión.

4. Programación del sistema

La onda cuadrada de 38 KHz es generada por el temporizador del microcontrolador T0, y luego el temporizador T1 genera una onda cuadrada de 250 Hz para modular la onda cuadrada de 38 KHz. Para mejorar la sensibilidad de respuesta del automóvil, la señal de recepción de infrarrojos y la señal de detección del cinturón negro se procesan mediante el método de interrupción. La detección de piezas de hierro, la medición de distancias, la conmutación, la dirección y el escaneo dinámico de tubos digitales utilizan métodos de sincronización.

El diagrama de flujo del programa principal se muestra en la Figura 9, y las subrutinas se muestran en la Figura 10, Figura 11 y Figura 12.

Figura 9 Diagrama de flujo del programa principal

Figura 10 Subrutina de servicio de interrupción externa 0

Figura 11 Subrutina de servicio de interrupción externa 1

Figura 12 Subrutina de interrupción del temporizador 1

6. Depuración y análisis de rendimiento

Después de soldar toda la máquina, primero verifique si hay algún error en el cableado del hardware y luego depure cada módulo paso a paso. paso. Primero escriba un pequeño programa de control de motor para controlar su rotación hacia adelante y hacia atrás y apagarlo normalmente. Se ha agregado una subrutina para evitar obstáculos, el automóvil funciona normalmente y la sensibilidad se ajusta para lograr el mejor efecto. Agregue la subrutina de visualización de tiempo y la visualización será normal. La detección de láminas de hierro se basa en interruptores de proximidad. Los interruptores de proximidad procesan señales de detección, muestran y emiten información audible y visual en tiempo real y no hay anomalías. La parte de visualización de distancia se utiliza para contar los pulsos del tubo Hall. Para lograr la mayor precisión posible, se montan pequeños discos en las ruedas. Luego depuré el módulo de detección del cinturón negro y descubrí que a veces el auto se quedaba sin cinturón negro. Se considera que el transceptor de infrarrojos no es sensible a la lámpara y aún no se logra el efecto satisfactorio después de ajustar la sensibilidad. Ante la sospecha de que se veía afectado por la luz ambiental, el problema se solucionó tras colocar una funda de plástico alrededor del transceptor de infrarrojos. El circuito de fototaxis se compone principalmente de tres fotorresistores. Ajuste los ángulos de los tres fotorresistores y pruebe el software al mismo tiempo para lograr la mejor función de fototaxis.

Después de una depuración exhaustiva de toda la máquina, el sistema se inicializa después del encendido y luego controla el motor para impulsar el automóvil hacia adelante. De repente descubrí que el sistema ingresó inmediatamente a la interrupción externa 1. Repetí la prueba muchas veces y el resultado fue que ingresó automáticamente a la interrupción. Se infiere que es causado por el arranque del motor cuando se enciende por primera vez. Para evitar el impacto del momento del encendido, el automóvil se retrasa unos milisegundos después del arranque, luego se activa la interrupción externa y se resuelve el problema.

Si es posible, se debe utilizar una fuente de alimentación dual, es decir, el motor y el circuito se alimentan por separado, y L293D y el microcontrolador se controlan mediante señales aisladas. De esta manera, no se producirán problemas como errores de programa y pantallas parpadeantes de tubos digitales cuando se encienda el automóvil. En términos de precisión de registro, se puede obtener una mayor precisión utilizando el principio de infrarrojos.

7. Conclusión

A través de discusiones e intentos de varias soluciones, así como de múltiples depuraciones de todo el software y hardware, el sistema se ha optimizado continuamente y el automóvil inteligente puede completarse. varias funciones y llegar al garaje.

8. Referencia

Tecnología de aplicación MCU

Zhou Ligong MCU

Principio y aplicación de MCU

8051 MCU Diseño de programas y ejemplos

Guía de experimentos con el microcontrolador MCS-51